基于多Agent的车辆底盘集成控制系统的研究

摘要

随着信息技术的发展和对车辆行驶安全要求的提高，底盘控制功能元件数目与日俱增，并行作用的子控制系统之间的相互影响甚至冲突不可避免。因此需集成这些子系统以提高车辆总体安全性、舒适性和操纵性能，但是传统的集中式或分层监督式的集成控制框架缺乏灵活性和可扩展性。
　　 本文将车辆底盘控制看成复杂的分布式实时控制问题，基于多Agent的建模和控制器组织方法，提出包括主动转向(ASC)、驱动力矩主动分配(ADC)、主动制动控制(ABC)、ABS/ASR和主动悬架(ASUS)在内的底盘集成控制框架；并建立包括后轮主动转向和主动制动控制的底盘集成控制系统的控制器硬件在环仿真平台。论文主要内容及创新成果包括：
　　 1．采用分布式问题求解方法，根据操纵稳定性和车辆纵向动力学控制的目标以及各控制单元的物理分布，将复杂底盘控制问题分解为ASC、ADC、ABC和ABS/ASR等子控制系统；基于高鲁棒性和抗干扰性能的滑模控制或模糊滑模控制算法，分别设计这些子系统的控制器；并采用Matlab/Simulink仿真环境，对所设计的子控制器逐个进行仿真试验。结果表明所设计的控制器能够独立工作，实现各自预期的车辆动力学控制目标：①ASC控制器在侧向加速度不很大时，能够实现良好的横摆角速度跟踪和横向操纵稳定性；②ADC和ABC在极限转向工况下仍能实现横向操纵稳定性，其中ADC适合于加速工况，而ABC更适合于减速工况，且ABC的控制效果更显著；③ABS/ASR能够实现预期的制动防抱死/驱动防滑功能。
　　 2．基于多Agent的控制器组织方法，先将相对独立、自治的车辆底盘子控制器ASC、ADC、ABC和ABS/ASR描述成局部控制器Agent，然后采用协调机制，设计协调对象来组织这些局部控制器Agent，建立基于多Agent的车辆底盘集成控制框架。基于Matlab/Simulink，建立该集成控制框架的仿真试验平台，用于研究控制框架和算法在各种操纵情形特别是横向操纵临界稳定状态下的性能，以及控制系统中有子控制器失效时的性能。研究表明：①基于多Agent的自下而上的控制器组织方法能够成功地用于底盘子控制器的集成，在实现控制系统总体控制目标的同时保持子控制系统的自治性，并且集成控制可继承子控制系统具有的鲁棒性等经典控制性能；②基于多Agent的底盘集成控制框架使得原本十分复杂的控制问题被分解成为相对简单的子控制问题，当获得各个子控制器的解之后很容易得到全局控制的联合输出；③协调控制机制比传统的监督控制灵活，很容易通过设计备用的附加协调规则，避免因个别子控制器失效导致整个集成控制系统失效。
　　 3．将模糊滑模控制和H∞鲁棒控制两种算法相结合，设计以提高行驶平顺性为目标的主动悬架控制器ASUSR，仿真试验表明该控制算法对模型参数的变化具有较强的鲁棒性，且控制效果优于单独采用模糊滑模控制或H∞鲁棒控制的主动悬架。依据主动悬架力对车辆操纵稳定性的影响关系，提出基于模糊滑模控制的主动悬架控制器ASUSH，以提高车辆操纵稳定性。
　　 4．在基于多Agent的集成底盘控制框架中增添主动悬架控制器ASUSR和ASUSH模块，提出行驶平顺性控制和操纵稳定性控制协调工作的底盘集成控制系统，实现了底盘集成控制框架的一个扩展。控制系统设计过程和仿真试验可得到以下结论：①集成控制框架是按照自下而上的方式设计的，其中的协调对象考虑了局部控制器的意图或请求，因此低层的控制器Agent能够方便地增加到协调控制系统中，或者从中删除，这体现了控制框架的灵活性和可扩展性；②当ASUSH和ASUSR协调工作时，对提高车辆操纵稳定性的辅助效果明显，减轻了ASC、ADC和ABC的工作负荷，而且在提高操纵稳定性的同时不影响ASUSR改善车辆平顺性的效果，包括主动悬架在内的底盘集成控制的总体性能比无主动悬架的集成控制更佳。
　　 5．以主动后轮转向和ABC子控制器的集成为例，采用飞思卡尔HCS12单片机和嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ，设计基于多Agent的底盘集成控制系统的控制器原型；然后基于Matlab/Simulink/dSPACE与该控制器原型，建立集成控制的控制器硬件在环仿真试验平台，并进行仿真试验，验证了基于多Agent的底盘集成控制框架的有效性。基于该硬件在环仿真平台的试验研究便于积累丰富的软件和硬件开发经验，这些经验有助于指导车辆底盘集成控制系统的实车试验及其产品化过程。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 车辆底盘集成控制的研究背景

1.1.1 转向控制

1.1.2 驱动/制动力矩主动控制

1.1.3 主动悬架控制

1.1.4 车辆状态测量和估计

1.1.5 车辆总线技术的发展

1.2 车辆底盘集成控制的研究现状

1.2.1 底盘控制不同粒度集成的算法研究

1.2.2 底盘集成控制系统的整体框架研究

1.2.3 车辆集成控制网络开放平台

1.2.4 底盘集成控制框架研究存在的问题

1.3 基于多Agent的实时控制方法及工程应用

1.3.1 Agent和多Agent的理论研究

1.3.2 基于多Agent的实时控制及应用

1.3.3 基于多Agent控制架构的优势

1.4 本文研究的内容

第二章 车辆模型

2.1 引言

2.2 车辆模型的建立

2.2.1 车身运动六自由度及其动力学方程

2.2.2 悬架模型

2.2.3 车轮动力学方程和轮胎模型

2.2.4 路面输入模型

2.2.5 车辆模型在前轮转向角输入下的稳态和瞬态响应

2.2.6 车辆模型在四轮相关路面随机输入下的响应

2.3 影响车身六个自由度运动状态的因素

2.3.1 影响横摆角速度的因素

2.3.2 影响车身侧倾运动的因素

2.3.3 影响车身俯仰运动的因素

2.3.4 影响车身垂向运动的因素

2.3.5 影响横向运动速度的因素

2.3.6 影响纵向运动速度的因素

2.4 本章小结

第三章 车辆底盘控制系统子控制器设计

3.1 引言

3.1.1 复杂底盘控制问题的分解

3.1.2 滑模控制方法

3.2 控制目标

3.2.2 横摆角速度和侧向加速度跟踪目标

3.2.2 质心侧偏角上限

3.2.3 理想纵向行驶加速度

3.3 主动转向子控制器(ASC)设计

3.3.1 AFS和ARS滑模控制器设计

3.3.2 AFS和ARS协调控制方法

3.3.3 AFS和ARS控制仿真结果

3.4.ABS/ASR子控制系统

3.4.1 ABS/ASR控制器设计

3.4.2 ABS/ASR仿真试验结果

3.5 主动驱动子控制器(ADC)设计

3.5.1 ADC并联模糊滑模控制器设计

3.5.2 车辆总驱动力矩计算

3.5.3 ADC仿真试验结果

3.6 主动制动子控制器(ABC)设计

3.6.1 附加横摆力矩计算

3.6.2 制动力矩分配

3.6.3 ABC仿真试验结果

3.7 本章小结

第四章 基于多Agent的底盘集成控制框架

4.1 引言

4.2 Agent和多Agent的基本概念

4.2.1 Agent的基本概念

4.2.2 多Agent系统的基本概念

4.3 基于多Agent的控制系统

4.3.1 控制系统和Agent系统的关系

4.3.2 基于多Agent的复杂控制问题求解

4.4 车辆底盘控制器Agent

4.4.1 控制器Agent的概念

4.4.2 底盘控制Agent的局部操作域

4.4.3 底盘局部控制器Agent的描述

4.5 多Agent控制系统组织结构

4.5.1 多Agent系统的组织架构

4.5.2 基于协调机制的控制器Agent组织结构

4.6 基于多Agent的底盘子控制器集成框架

4.6.1 基于横向不稳定性的全局操作域划分

4.6.2 ASC和ABC之间的冲突

4.6.3 ax跟踪和ABC之间的冲突

4.6.4 底盘控制器Agent协调规则

4.6.5 有控制器Agent失效时的附加协调规则

4.6.6 协调对象的决策函数

4.6.7 协调对象的联合输出

4.7 集成控制仿真试验

4.7.1 操纵方式和控制目标

4.7.2 集成控制和子控制器单独作用仿真结果比较

4.7.3 集成控制中有子控制器失效的仿真

4.8 本章小结

第五章 包含主动悬架的底盘集成控制框架扩展

5.1 引言

5.2 主动悬架控制方法

5.2.1 半主动悬架和全主动悬架

5.2.2 主动悬架控制算法

5.3 联合模糊滑模控制和H∞鲁棒控制的主动悬架

5.3.1 影响车身姿态的广义力向量解耦

5.3.2 模糊滑模控制方法

5.3.3 模糊滑模控制与H∞鲁棒控制联合的控制方法

5.3.4 主动悬架作用力在执行器中的实现

5.3.5 主动悬架控制平顺性仿真

5.4 主动悬架控制对车辆操纵稳定性的影响

5.4.1 前轴差动悬架作用力对车辆转向性能的影响

5.4.2 减小外前和内后轮悬架作用力对车辆转向性能的影响

5.4.3 其它的主动悬架作用力方式对车辆转向性能的影响

5.5 包含主动悬架控制器的底盘集成控制框架扩展

5.5.1 主动悬架的操纵稳定性控制

5.5.2 底盘集成控制扩展框架

5.5.3 集成控制仿真试验

5.6 本章小结

第六章 ARS与ABC集成控制硬件在环仿真

6.1 引言

6.2 ARS和ABC子控制系统控制算法

6.3 基于多Agent的ARS+ABC集成控制策略

6.4 ARS+ABC控制器硬件在环仿真平台

6.4.1 控制器原型硬件接口电路设计

6.4.2 控制器硬件在环仿真平台软件设计

6.5 仿真试验和结果

6.6 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

科研成果